Passenden MosFet auswählen

Hallo zusammen,

bisher hab ich immer mit NPNs gearbeitet und keine Erfahrungen mit MosFets gehabt.
Ich möchte über einen AtMega einen Motor steuern.

Der Motor hat einen Nennstrom von 1A bei 24V, die Nennleistung Pn beträgt 4,6W.
Ich habe gehört, dass der Strom im Mosfet beim Zünden so enorm ansteigen kann, dass man hier einen wesentlich stärkeren MosFet nehmen müsste, als es die Anwendung eigentlich erfordert.

Ich wüsste gerne, nach welchen Kriterien ich mich nun richten muss, um den passenden MosFet zu finden.
Den Motor sollte ich morgen mit der Post bekommen, so dass ich dann bei Bedarf Messungen und Versuche durchführen kann.

Zitat:

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Zitat von Cysign

Der Motor hat einen Nennstrom von 1A bei 24V, die Nennleistung Pn beträgt 4,6W.

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Wie hoch ist denn der maximale Anlaufstrom? >http://de.wikipedia.org/wiki/Einschaltstrom
Hast Du diese Daten für diesen Motor?

Den Transistor danach aussuchen (ID) und VGS beachten.
Wenn VGS zu klein ist steigt die Verlustleistung und das Teil "verbrennt" trotz passendem ID!

Der steht leider nicht im Datenblatt.

Dann Innenwiderstand messen und den Strom berechnen.

Den bekomm ich hoffentlich morgen mit der Post ;)

So aus der Hüfte heraus würde es doch der Wald und Wiesen FET Buz11 tun oder?

Wie bereits geschrieben wurde muss man den fet so schnell wie möglich schalten (bei größeren lasten mit fettreiber). Ein fet ist wie ein veränderbare Widerstand. Zusätzlich sollte man noch einen Widerstand zwischen gate und source schalten, da das gate hochohmig ist und der fet bei Last ebenfalls kaputt geht.

PS: Einen fet zündet man nicht. Man zündet nur Thyristoren und Triacs.

MfG Hannes

Zitat:

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Zitat von Cysign

bisher hab ich immer mit NPNs gearbeitet und keine Erfahrungen mit MosFets gehabt.
Ich möchte über einen AtMega einen Motor steuern.

Der Motor hat einen Nennstrom von 1A bei 24V, die Nennleistung Pn beträgt 4,6W.
Ich habe gehört, dass der Strom im Mosfet beim Zünden so enorm ansteigen kann, dass man hier einen wesentlich stärkeren MosFet nehmen müsste, als es die Anwendung eigentlich erfordert.

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Ein MosFet ist genauso so ein Transistor wie ein bipolarer. Der wesentliche Unterschied ist, daß er mit einer Spannung am Gate gesteuert wird, während ein bipolarer durch einen Strom in die Basis aufgesteuert wird. Vom "Zünden" spricht man eigentlich bei einem Thyristor, dort kann man den Strom nach dem Zünden garnicht mehr steuern.

Das Problem, daß du beschreibst, kommt nicht vom FET sondern vom Motor. Die Verhältnisse sehen etwa so aus: Der Motor ist erstmal eine Induktivität. Wenn man sie an eine Spannung legt, fließt ein "langsam" ansteigender Strom. Die Anstiegszeit richtet sich nach der Induktivität und der Summe aller Widerstände im Stromkreis, ein RL-Glied eben. Der Strom der am Ende erreicht wird, wird nur noch vom Widerstand bestimmt, Ohmsches Gesetz eben. Wenn der Motor aber dreht, kommt ein zweiter Effekt dazu: Der Motor wird zum Generator. Seine erzeugte Spannung lst proportional zur Drehzahl und entgegengesetzt zur Versorgungsspannung und muß zur Bestimmung des Stroms abgezogen werden. Die Zeit, die der Motor braucht, um auf Touren zu kommen (wobei der Motorstrom ständig kleiner wird), ist typischerweise wesentlich länger als die Zeit die durch die Induktivität (RL-Glied) bestimmt wird. Der Nennstrom ist dann der Strom, der sich einstellt wenn der Motor dreht und er dabei im Dauerbetrieb nicht zu heiß wird.

Das Verhalten eines E-Motors ist unabhängig von der Ansteuerung. Es spielt keine Rolle ob es ein bipolarer Transistor, ein FET oder ein Relais ist. Wenn der Motor lange braucht, um auf Drehzahl zu kommen, muß man während dieser Zeit mit einem wesentlich höheren Strom als dem Nennstrom rechnen. Der Nennstrom sagt eigentlich nur aus, daß sich der Motor bei diesem Strom im Dauerbetrieb nicht soweit erhitzt, daß er abbrennt. Auch unter Last kann der Strom schon mal größer werden, so ein Eisen/Kupfer Klotz braucht schon seine Zeit, bis er zu heiß wird (und die Wicklung durchbrennt).

Das ganze läßt sich leicht messen. Einen kräftigen (damit er beim Experimentieren nicht kaput geht) Transistor, einen kleinen Widerstand als Messshunt in den Kreis und mit dem Scope den Strom aufzeichnen. Und dann mal schauen wie es aussieht, wenn man den Motor belastet, die Achse mal festhält. Den Transistor kann man mit einem Funktionsgenerator oder irgendeinem µC und ein paar Zeilen Code ansteuern, damit man das Anlaufverhalten sehen kann. Ein High-Side Switch funktioniert da auch gut, die haben meißt eine eingebaute Strombegrenzung und retten sich selbst, wenn man einen Fehler macht.

MfG Klebwax

Wie hast du dich denn jetzt entschieden?

Zitat:

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Zitat von 021aet04

Wie bereits geschrieben wurde muss man den fet so schnell wie möglich schalten (bei größeren lasten mit fettreiber). Ein fet ist wie ein veränderbare Widerstand. Zusätzlich sollte man noch einen Widerstand zwischen gate und source schalten, da das gate hochohmig ist und der fet bei Last ebenfalls kaputt geht.

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Was du da schreibst, ist nicht ganz schlüssig. Du sagst: "so schnell wie möglich", ok. Dann sagst du: "Zusätzlich sollte man noch einen Widerstand zwischen Gate und Source schalten". Da das Gate ein Kondensator ist, macht der Widerstand die Sache langsam, ein RC-Glied eben. Das passt nicht richtig zusammen.

MfG Klebwax

Er schreibt ja auch zwischen Gate und Source, nicht zwischen Gate und Signalquelle. Ich denk mal, der Widerstand soll als so eine Art Pulldown wirken, damit das Gate auf einem definierten Pegel steht, wenn kein Signal anliegt.

Zitat:

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Zitat von Geistesblitz

Er schreibt ja auch zwischen Gate und Source, nicht zwischen Gate und Signalquelle. Ich denk mal, der Widerstand soll als so eine Art Pulldown wirken, damit das Gate auf einem definierten Pegel steht, wenn kein Signal anliegt.

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Hast recht. Ich hab an FET-Treiber gedacht, da gibt es den Zustand "floating" eigentlich nicht. Der Pulldown müßte an den Eingang des Treibers.

MfG Klebwax

Ich hab den Motor grade bekommen. Im Stillstand kann ich 12 Ohm messen. Im Betrieb (ohne Last) kommt er auf unter 200mA bei 24V. Durch die große Übersetzung des montierten Getriebes bekomm ich die Welle nicht gehalten. Ich werd nacher mal versuchen was ich für nen Maximalstrom mit meinem Tischmultimeter messen kann.

Welchen Sinn genau hat der Widerstand zwischen Gate und Source?
Als Pulldown wäre doch eher zwischen Gate und Gnd sinnvoll...
Da die Quellspannung 24V beträgt, aber mein Mikrokontroller nur 5V verträgt, seh ich das als Risiko an...

Generell scheint der Buz11 mit 50V und 30A dann ja auf jeden Fall ausreichend zu funktionieren. Sollte ich dann vorsichtshalber noch nen Kühlkörper an den MosFet kleben oder ist das nicht nötig, da er für wesentlich größere Lasten ausgelegt ist?

Ergänzend sollte ich vielleicht noch sagen, dass beim Ein- und Ausschalten des Motors evtl. PWM ins Spiel kommen soll...

PWM sollte mit Mosfets ja eigentlich generell kein Problem sein.
Btw. liegt Source bei einem N-Channel Mosfet direkt an Gnd ;)
War da nicht was, dass man für Mosfets eine höhere Steuerspannung braucht? Hab da was von 10-15V im Kopf, dafür könnte man dann einen Mosfettreiber nehmen. Mit 5V bekommt man so einen Mosfet jedenfalls nicht ausgesteuert und durch den höheren Widerstand steigen dann auch die Verluste. Ansonsten kannst ja auch mal gucken, ob du einen Logic-Level-Mosfet findest, bei dem gehts dann auch mit 5V.

Zitat:

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Zitat von Cysign

Ich hab den Motor grade bekommen. Im Stillstand kann ich 12 Ohm messen. Im Betrieb (ohne Last) kommt er auf unter 200mA bei 24V. Durch die große Übersetzung des montierten Getriebes bekomm ich die Welle nicht gehalten. Ich werd nacher mal versuchen was ich für nen Maximalstrom mit meinem Tischmultimeter messen kann.

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Den Anlaufstrom kann man mit einem Multimeter nicht messen, das ist viel zu langsam. Das geht nur mit einem Scope. Aber 12 Ohm und 24V lassen auf 2A schließen.

Zitat:

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Welchen Sinn genau hat der Widerstand zwischen Gate und Source?
Als Pulldown wäre doch eher zwischen Gate und Gnd sinnvoll...

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Source ist auf GND? Wobei das den FET nicht interessiert, ihn interessiert nur die Spannung zwischen Gate und Source, was in der Schaltung GND genannt wird ist ihm egal.


MfG Klebwax

Zitat:

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Zitat von Cysign

Welchen Sinn genau hat der Widerstand zwischen Gate und Source?

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Wie bereits an anderen Stellen geschrieben wurde, ist das Gate eines MOSFET ein Kondensator. Dieser wird mit einer bestimmten Kapazität aufgeladen während er mit HIGH angesteuert wird. Wenn das Gate dann wieder auf LOW geht, muss diese Kapazität erst wieder abgebaut werden - sprich der "Kondensator" muss entladen werden. Hierfür verwendet man einen sog. Gate-Ableit-Widerstand zwischen Gate und GND / Source.

Zitat:

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Zitat von Geistesblitz

War da nicht was, dass man für Mosfets eine höhere Steuerspannung braucht? Hab da was von 10-15V im Kopf.

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Das hängt vom MOSFET ab. Du schreibst ja selbst von Logic-Level-Mosfets (Beispiel IRLZ34). Diese steuern bei 5 Volt bereits voll durch. Einzelne Logic-Level-Mosfets sind sogar bereits bei 3,3 Volt in Sättigung - sprich er steuert voll durch. Wenn Du so einen Logic-Level-Mosfet aber mit 12V am Gate ansteuerst, geht er recht schnell in die ewigen Jagdgründe ein.

Ein "herkömmlicher" nicht Logic-Level-Mosfet wie etwa der IRFZ34 hingegen braucht in der Tat eine Gate-Spannung > 10V um voll durchzusteuern.

Deshalb: immer einen Blick ins Datenblatt werfen! Wichtig sind Angaben wie Sättigungsspanung, max. Gate Spannung, Widerstand in Sättigung, max. Drain-Source-Spannung und max. Drain-Source-Strom.

Ein Gate-Treiber hat übrigens üblicherweise nicht die Aufgabe die Spannung am Gate zu verstärken, sondern genügend Strom zu liefern, um die Gate-Kapazität schnell genug umladen zu können. Da sowohl die Gate-Spannung als auch die Gate-Kapazität fix durch den MOSFET vorgegeben sind, kann man die benötigte Zeit zum Umladen nur durch die Höhe des fließenden Stroms beeinflussen. Und genau hier kommen normalerweise die Gate-Treiber zum Einsatz.

So, ich hab endlich einen Buz11 (Danke für die Empfehlung an Picojetflyer) ausprobiert. Gate habe ich dabei mit nem Widerstand von etwas über 600 Ohm an Source geklemmt. Und nen Zusätzlichen Widerstand zwischen den Pin des Mikrokontrollers und Gate (Wert weiß ich grade nicht). Aber prinzipiell funktioniert das genau wie gewünscht.
PWM ist in einem gewissen Rahmen auch möglich. Bei zu geringer PWM-Leistung bleibt der Motor allerdings unter Last schonmal stehen. Bei zu hoher Leistung muss ich noch nen größeren Kondensator ausprobieren. Momentan bricht die Versorgungsspannung bei Volllast zusammen ;)
Ich denke, ich werden den 1000µF-Kondensator mal gegen ein doppelt so großes Modell tauschen und schauen, ob ich damit hinkomme... Der angesteuerte Motor zieht einfach recht viel beim Anlaufen...

600 Ohm zwischen Gate und Source ist deutlich zu wenig. Da darfst Du ruhig 10 bis 100 kOhm ran hängen ... dann geht auch das PWM besser, weil die Ladung nicht gleich wieder nach Masse abgeleitet wird ;-)

Ich dachte bisher, dass ein schnelles Ableiten für PWm mehr Sinn macht ;)
Wie kommst du auf die 10-100K? Gibts da ne Faustregel? Oder...irgendwie gemessen oder laut Datenblatt?

Schnelles ableiten macht schon Sinn ... allerdings muss dann auch das erneute Laden in akzeptabler Zeit erfolgen. Wenn die Ladung aber statt in die Gate-Kapazität über den Ableit-Widerstand direkt nach GND abgeführt wird, dauert es entsprechend länger, das Gate zu laden. Während des Lade-Vorgangs nimmt der Soure-Drain-Widerstand langsam ab. Während dieses sog. Linear-Betriebs setzt der MOSFET durch diesen Widerstand elektrische Leistung in Wärme um - er heizt sich auf. Deshalb ist es grundsätzlich das Ziel, das Gate nicht nur möglichst schnell zu entladen sondern auch, es möglichst schnell zu laden. Die 10-100k sind Standard-Werte. Man muss halt immer in wenig experimentieren, bis man die beste Kombination aus Gate-Kapazität, Gate-Widerstand und Gate-Source-Widerstand finden. Dabei kommt es auch darauf an, wie viel Lade-Strom max. zur Verfügung steht (hier kommen dann ggf. auch sog. Gate-Treiber ins Spiel) und wie das EMV-Verhalten sein soll (kein oder ein kleiner Gate-Widerstand = schlechtes EMV besonders bei PWM).

Okay, das klingt jetzt etwas...komplizierter als ich dachte ;)
Eine nennenswerte Erwärmung des Buz11 habe ich jetzt nicht feststellen können. Ich probier gleich einfach mal noch mit anderen Werten aus, ob sich was ändert. Evtl. kann ich darauf zurückführen, dass ich bei analogWrite(buzz11pin, 255/4), also 1/4tel PWM-Leistung, quasi keinen Vortrieb mehr habe, weil das Gate zu schnell entladen, bzw. nicht richtig wird. Ich denke mal, dass es sicherlich Sinn macht, PWM 100%, 50% und 25% mal unterm Oszi zu betrachten, dann seh ich ja, ob bei 25% einfach nicht genug Spannung aufgebaut werden kann.

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Oh, ich hab mich vertan. Zwischen µC und Gate habe ich 500Ohm. Zwischen Gate und Gnd habe ich 32KOhm. Da muss ich wohl in Gedanken die Werte vertauscht haben...gut, dass ich nochmal nachgemessen hab ;)

Welche Ansteuerspannung nimmst Du denn nun ?
Bei 5 V würde ich einen anderen Typ wählen z.B. den IRF 3708.
Dieser hat allerdings nur 30V max. D/S Spannung.
Bei 8 oder 10V ist der BUZ schon OK.
Bei IRF kannst Du FET's auch nach gewünschten Parametern aussuchen.
Was bis jetzt gar nicht zur Sprache kam war eine Freilaufdiode.
Wenn der FET abschaltet kommt es durch die Induktivität des Motors zu einer Spannungsspitze über den Motoranschlüssen.
Üblicherweise baut man da eine Diode in Sperrichtung ein um diese abzuleiten.

EDIT!
Hab noch mal ein wenig rumgeschaut - Ich würde den IRLZ 34N verwenden, da günstig, beschaffbar und läuft mit 5V

Was redround geschrieben hat ist nicht ganz richtig. Der Widerstand zwischen gate und source sollte zwischen 10k und 100k, das ist richtig. Jedoch hat dieser Widerstand nichts mit dem normalen Betrieb zu tun. Beim Mikrocontroller schaltet der Ausgang zwischen VCC (+5V) und GND um. Somit wird dieser GS Widerstand kurzgeschlossen. Dieser ist nur dafür da das das gate nicht durchschaltet während der Controller im Reset ist bzw der Pin noch nicht als Ausgang konfiguriert wurde.

Der gate Widerstand ist mit 600 Ohm relativ hoch. Dieser sollte was das umschalten angeht so niedrig als möglich sein, der Nachteil ist wie geschrieben EMV. Jedoch sollte der Widerstand unter 100 Ohm sein (10 Ohm ist meist ein guter Wert) . Je höher der Widerstand ist desto länger braucht der fet um durchzuschalten (das ist ein RC Glied) . Je höher der Wert ist desto länger bist du im Übergangsbereich, indem sich der fet stark erwärmt.

Das der Motor bei PWM weniger kraft hat ist normal. Der Motor ist eine Induktivität, bei dem sich der Strom langsam aufbaut. Grundsätzlich gilt je höher die Frequenz desto niedriger die kraft, weil sich der stromfluss nicht schnell genug aufbaut. Abhilfe schafft die PWM Frequenz runter setzen. Probier einmal das gleiche Programm mit unterschiedlichen PWM Frequenzen.

MfG Hannes

Zitat:

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Zitat von Cysign

Oh, ich hab mich vertan. Zwischen µC und Gate habe ich 500Ohm. Zwischen Gate und Gnd habe ich 32KOhm. Da muss ich wohl in Gedanken die Werte vertauscht haben...gut, dass ich nochmal nachgemessen hab ;)

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Ein Widerstand zwischen Gate und Source ist nicht zum Entladen des Gates im Betrieb. Er hat nur die Funktion, das Gate auf 0V zu halten, wenn der FET garnicht gesteuert wird. Wenn der Fet direkt an einem µC hängt, tritt der Fall auf, wenn der µC-Pin Input ist, z.B. bei und nach einem Reset. Da sind 32k oder auch 100k ganz ok.

Der Widerstand zwischen Gate und Ansteuerung dient zum zum Unterdrücken von etwaigen hochfrequenten Schwingungen wenn der FET sehr schnell schaltet. Die Werte liegen so bei 20 Ohm oder weniger. Bei einer vergleichsweise schwachen Ansteuerung wie einem Logic-Ausgang würde ich in 0 Ohm machen.

MfG Klebwax

Sorry Klebwax - aber das sehe ich nicht so. Die Gate-Kapazität kann sich ja nicht in Luft auflösen, also muss sie beim Umladen irgendwohin. Da kommt es jetzt darauf an, was den Mosfet ansteuert. Nutzt man zum Beispiel Logik-Gatter als Treiber, haben die in der Regel sog. Push-Pull-Ausgänge und können die Gate-Kapazität darüber ableiten. In dem Fall könnte man auf den Ableitwiderstand in der Tat verzichten. Anders sieht es bei der Ansteuerung durch Komponenten mit Tri-State-Ausgängen aus, wie sie Controller üblicherweise haben. Die können die Ladung eben nicht abführen.



Andererseits brauchen Mosfets keinen Pulldown Widerstand, da selbst bei Logiklevel Typen in der Regel mehr als 2Volt brauchen um zu leiten. Diese 2Volt fängt man sich aber über Induktion und ähnliches nicht ein, weshalb der Zustand beim Einschalten sehr wohl definiert ist.



Der Widerstand vor dem Gate hat übrigens neben der EMV Begrenzung noch eine andere Aufgabe: er soll den Kontrollerpin vor einer Überlast schützen. Im Moment des Wechsels von Low nach High wirkt die Gatelapazität wie ein Kurzschluss und es fließt der max. Strom. Einem AVR Pin kann man aber nur 40 mA entnehmen und man sollte ihn nicht mit mehr als 20mA belasten. 5 Volt und 20 mA ergeben einen Wert von 100 Ohm am Gate. Den sollte man im Interesse des Controllers auch nicht ohne zwingenden Grund unterschreiten.

Zitat:

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Zitat von redround

. Nutzt man zum Beispiel Logik-Gatter als Treiber, haben die in der Regel sog. Push-Pull-Ausgänge und können die Gate-Kapazität darüber ableiten. In dem Fall könnte man auf den Ableitwiderstand in der Tat verzichten. Anders sieht es bei der Ansteuerung durch Komponenten mit Tri-State-Ausgängen aus, wie sie Controller üblicherweise haben. Die können die Ladung eben nicht abführen.

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Tri-State Ausgänge sind auch ganz normale Logicausgänge. Und sie treiben aktiv sowohl nach High als auch nach Low, bei CMOS auch etwa gleichstark nach beiden Seiten. Tri-State ist ein dritter (Tri) Zustand, weder High noch Low. Bei einem µC z.B. wird dann der Pin Input, wie ich geschrieben habe. Und mit einem Input kann ich gar nichts steuern, die Schaltung ist also in diesem Fall funktionsunfähig. Um das in den Griff zu bekommen und nicht für die wirkliche Funktion braucht man den Pull-Down.

Zitat:

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Andererseits brauchen Mosfets keinen Pulldown Widerstand, da selbst bei Logiklevel Typen in der Regel mehr als 2Volt brauchen um zu leiten. Diese 2Volt fängt man sich aber über Induktion und ähnliches nicht ein, weshalb der Zustand beim Einschalten sehr wohl definiert ist.

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Das ist nicht so. Die Gates von FETs wie auch die Eingänge von CMOS Logic (sind ja auch nur FETs) sind so hochohmig, daß schon kleinste elektrostatische Ladungen zur Ansteuerung reichen. Im schlechtesten Fall fängt es an unkontrolliert zu schwingen. Deswegen darf man auch CMOS Logiceingänge nicht offen lassen.

Zitat:

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5 Volt und 20 mA ergeben einen Wert von 100 Ohm am Gate. Den sollte man im Interesse des Controllers auch nicht ohne zwingenden Grund unterschreiten.

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Du solltest den Innenwiderstand des uC Ausgangs (den Rdson der µC internen Transistoren) nicht vergessen. Er begrenzt den Strom genug. Die 20mA sind Dauerstrom, das Umladen des Gates ist ein Peak. Sobald die Gatespannung ansteigt, vermindert sich der Strom. Eine langsame Ansteuerung (durch das RC-Glied) im wirklichen Lastbetrieb überhitzt und killt den FET eher, als der µC leidet.

MfG Klebwax

ich seh schon, dass wir uns bei der Begründung nicht einig werden ;) ... Hauptsache wir sind alle der Meinung, dass ein Widerstand zwischen Gate und Source Sinn macht und dass eine Größe von 10 bis 100 kOhm Sinn macht (egal, ob er nun Pull-Down oder Gate-Ableit-Widerstand heißt ;) ) ... so wie dass ein Widerstand vor dem Gate zumindest die EMV-Emision verringert. Als Begründung darf dann jeder seine Meinung heran ziehen ;-)

PS: ich selbst nutze statt des BUZ übrigens auch lieber IRLZ als Logiklevel und IRFZ bei höheren Gate-Source-Spannungen. Der BUZ ist wenn ich mich nicht irre übrigens kein Logik-Level MOSFET sondern braucht eine Gate-Source Spannung von 10 Volt um in Sättigung zu gehen. Ist für eine direkte Ansteuerung durch den Controller also eher ungeeignet. Aber das ist unter vorbehalt, da ich das Datenblatt jetzt nicht auswendig kenne ;-)

Es gibt für Gate-Treiber auch eine wunderschöne ;) Wikipedia Seite
http://de.wikipedia.org/wiki/Gate-Treiber

Insbesonders dieses Bild
Anhang 29988
Quelle: Wikipedia

Damit kann man dann auch Mosfets treiben welche eine höhere Spannung am Gate haben wollen als 5 V. Den Eingang der Schaltung kann man mit einem kleinen MOSFET oder NPN natürlich dann vom AVR treiben lassen. Das würde ich ganz einfach deshalb schon tun, das der untere PNP Transistor voll und sicher gesperrt ist, wenn der obere NPN Transistor leitet.

Gruß
Georg

Laut Datenblatt hat der Buz11

Zitat:

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Gate Threshold Voltage VGS(TH) VGS = VDS, ID = 1mA (Figure 9) 2.1(min) 3(norm) 4 V(max)

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Ist also optimal für nen AtMega geeignet :)